迈阿密 – 飞机的心脏,航空工程师会告诉你,是机翼。它产生传统飞机的大部分升力,机身和尾部仅占总升力的一小部分。

为了衡量机翼设计的演变,奥维尔赖特的首次飞行持续了 12 秒,飞行距离为 120 英尺,比波音 747 的翼展还要短。

飞机机翼已经从莱特兄弟 Flyer 的木质和织物双翼设计演变为当今巨头空中客车公司和波音公司的模型中使用的复合材料。与臭名昭著的莱特专利大战截然不同,在高效的机翼设计方面,两家公司之间仍然存在激烈的竞争。

作为入门,空气动力学涉及四种不同力的组合:升力、重量、阻力和推力。升力是重力的反作用力,它发生在空气在机翼上移动时。让我们潜入吧!

The Wright Flyer. Photo: Alan D R Brown – Gallery page http://www.airliners.net/photo/Wright-Flyer/0231034/LPhoto http://cdn-www.airliners.net/aviation-photos/photos/4/3/0/0231034.jpg, GFDL, //commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=27346710

提升和拖动


从他们开始研究飞行器开始,莱特兄弟就知道机翼会产生大部分升力。为此,兄弟俩在 1900 年和 1901 年使用德国航空先驱 Otto Lilienthal 提供的航空数据制造了第一架滑翔机的机翼。

然而,当他们测量滑翔机的空气动力升力时,赖特夫妇发现这只是使用 Lilienthal 数据计算出的升力的三分之一。问题在于赖特对数据的误读,这是基于缺乏有关 Lilienthal 测试模型机翼几何形状的信息。

尽管如此,莱特夫妇还是用他们自己建造的粗糙风洞进行了测试。他们在风洞测试中发现了机翼纵横比对升力和阻力的重要性。它们矩形机翼的展弦比等于翼展除以弦长。大展弦比机翼类似于百叶窗的板条;低展弦比的机翼短而粗。

双翼在不使飞机太大的情况下提供了额外的升力,并提供了更坚固的机翼结构。当时,飞机只有足够的动力来举起飞行员和飞机。

An ASH 31 glider with very high aspect ratio (AR=33.5) and lift-to-drag ratio (L/D=56). PHoto: By Manfred Münch – Originalfoto Fa. Alexander Schleicher, Mail Uli Kremer 20090423, CC BY-SA 3.0, //commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6611520

高纵横比机翼


根据他们的风洞发现,Wright 夫妇发现高展弦比的机翼比低展弦比的机翼产生更大的升力和更小的阻力。他们的下一架滑翔机在 1902 年飞行得非常出色,其纵横比为 6.7。 Wright Flyer 的纵横比为 6.4。正如我们所见,当今许多传统飞机的纵横比非常相似。

飞行器的另一个关键方面是它们的翼尖,它可以向不同的方向翘曲,在两个机翼上产生不对称的升力,因此提供了一个侧倾控制机制。我们将在下面进一步了解翼尖形状的最新进展。

当然,莱特家族对飞机最基础的技术贡献之一是横向(横滚)控制的概念。几年后,使用副翼代替机翼翘曲来控制滚转,但莱特的贡献至关重要。

A Douglas DC 3 in Rio de Janeiro. Photo: By Christian Volpati – http://www.airlinefan.com/airline-photos/5812368/Varig/Douglas/DC-3/PP-VBF/, GFDL 1.2, //commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=22647338

通过厚薄:翼型


翼型是沿飞行方向截取的机翼横截面。机翼的形状是机翼设计的重要组成部分。例如,它会影响机翼的升力和阻力,以及失速攻角(升力急剧下降且阻力突然增加的机翼攻角)。

Wright 使用非常薄的翼型,因为他们的风洞测试表明,非常薄的翼型比较大的翼型具有更低的阻力。在第一次世界大战期间,大多数飞机都效仿并采用了薄翼型。然而,由于风洞模型较小且风洞中的气流速度适中,早期结果具有误导性。

攻角大大低于传统的失速攻角时,薄翼型遭受“薄翼型失速”。这是由于薄翼型上表面的流动分离,导致阻力大幅增加和升力损失。

另一方面,较厚的翼型直到相当大的攻角才经历流动分离,从而在相同的操作条件下在较高的攻角下产生更大的升力和更小的阻力。

德国工程师发现了这一点,并在第一次世界大战结束时将厚翼型用于福克三翼飞机和福克 D-7。由于这些飞机比翼型薄的飞机爬升速度更快,机动更灵活,因此福克 D-7 成为二战中最有效的战斗机之一。

飞机设计师在 1920 年代开始采用厚翼型。由于它们的效率,大展弦比和厚翼型在 1930 年代的机翼设计中很常见。凭借其美观的 9.14 高机翼纵横比和 15% 厚的流线型机翼,传奇的道格拉斯 DC-3 是这种机翼设计改进的一个很好的例子。

厚翼型具有结构和空气动力学优点。油箱和可伸缩起落架可能存放在较厚的机翼下。更厚的机翼还允许在内部使用更大和更坚固的结构梁,使机翼可以从机身悬臂伸出,而无需外部支撑线和支柱。这有助于采用当前的单翼(单翼)配置而不是旧的双翼(双翼)配置。

二战后,德国科学家约翰娜·韦伯和迪特里希·库切曼在法恩伯勒与英国科学家合作,在英国进行了开创性的研究。机翼和机身的连接处以及翼尖的几何形状被认为是空气动力学效率低下的主要来源。

他们的努力促成了 1960 年代协和飞机独特机翼的开发以及 1970 年代第一架双引擎宽体飞机空中客车 A300 的开发。

协和飞机的箭翼设计。照片:空客

打破音障


随着 1950 年代喷气式飞机的推出,它们的速度能够接近和超过音速,机翼和机翼形状又发生了一次巨大的转变。更薄的翼型允许亚音速飞机在遇到穿过机翼的有害冲击波之前以接近音速的速度飞行,这会显着增加阻力并降低升力。

此外,随着喷气机时代、强度和性能要求的改变,产生了新的机翼形状,包括后掠翼、三角翼和新月翼。

现在,超音速飞机的主要设计元素是降低机翼上的冲击波强度,从而降低超音速阻力。冲击越弱,波浪阻力越小,翼型就越薄。

洛克希德 F-104 是第一架设计用于持续 2 马赫速度的飞机,就是一个很好的例子。 F-104 有一个非常薄的翼型,厚度约为 3.5%,前缘非常薄,所有这些都是为了减少来自机翼前缘的冲击波的力量。

这几乎就像翼型厚度已经转了一圈,恢复到莱特兄弟的厚度,但飞行条件完全不同。许多高速亚音速和超音速飞机也有后掠翼而不是直翼,这有助于减轻冲击波的严重程度并减少波阻。

今天,新的和苛刻的飞行情况继续推动机翼和翼型的演变。为了实现更高的升阻比,正在开发新的和改进的机翼布置和翼型,以提供更高的飞行燃油经济性。未来具有 5 马赫和更高速度的高超音速飞行器也将需要新颖的机翼和翼型形式。

The 波音 787 梦想飞机使用复合材料来减轻重量。照片:布兰登法里斯/航空公司

重量、复合材料、翼尖设计


在飞行过程中,消耗的燃料量大致与飞机的阻力成正比。因此,机翼设计者和制造商一直致力于降低重量。此外,空气动力学的改进最大限度地减少了推动飞机在空中飞行所需的动力和燃料,而更轻的负载减少了所需的升力。

与自 1960 年代以来主导该行业的主要铝结构相比,创新复合材料降低了飞机机翼的重量,其优势在于可以为不同的机翼和飞机模型定制特定的设计载荷、强度和张力。通过在制造过程中加入应用于复合材料的纳米颗粒,这项技术得到了改进。

技术还对飞机机翼的设计和构造产生了次要影响,因为它们越来越需要容纳和存储用于结构健康监测的新装备。通过在飞行过程中监控重要性能特征的传感器,这项先进技术正被纳入机翼结构设计和生产中。

最后,翼尖设计进步的引入大大提高了飞机的空气动力学性能。 “尾流”的影响——机翼高速飞行时留下的空气漩涡——被鲨鱼鳍(空中客车)或倾斜的翼尖和后来的小翼(波音)减少了。

根据波音公司的说法,在没有任何小翼的情况下,每个机翼尖端上方的气流都会从机翼下方的高压区域卷到机翼上方的低压区域。此外,当机翼高速向前移动时,机翼尖端上方的气流被迫向后,向上和向后的流动元素结合形成涡流。这些涡流会导致升力引起的阻力,从而降低机翼的效率。

在机翼顶点处向上的小延伸是避免上述问题的最常见方法。由于减少了对空气的干扰,飞机的通过更加顺畅和高效。它提供了与飞机翼展显着增加相同的结果,但没有额外的重量。

作为亚音速超绿色飞机研究计划的一部分,波音公司正在与美国宇航局合作研究跨音速桁架支撑翼概念,旨在提高空气动力学和燃油效率。图片:波音创意服务插图

空中客车公司和波音公司的最新机翼进展


空中客车公司正在研究多长的窄机翼可以具有高升阻比,这有助于节省燃料。然而,由于机场的限制,机翼长度是有限的。因此,空中客车团队正在试验折叠翼尖,这种翼尖可以在起飞前展开并折叠回地面。

此外,空中客车公司在 9 月 22 日表示,它将开发一种“额外性能的机翼”,能够在飞行过程中改变形状,以提高效率并减少排放。

波音公司推出了其最新的跨音速桁架支撑机翼 (TTBW),据研究人员称,该机翼将比之前的 TTBW 机型飞得更高、更快。新配置旨在提供无与伦比的空气动力学效率,同时以 0.80 马赫的速度飞行,其速度可与许多现代喷气客机相媲美。

波音公司指出,折叠机翼从头到尾长 170 英尺。支撑超薄机翼扩展长度的桁架的存在允许更大的翼展。

此外,波音 737 MAX AT 翼梢小翼是该公司翼梢小翼技术的最新进展。除了顶部机翼的向内、向上和略微向前的升力分量之外,新的下部机翼还产生了一个垂直升力分量,该升力分量远离机身并略微向前。

这些部件协同工作,形成一个精确平衡的小翼,最大限度地提高机翼的整体效率。

737 MAX 团队继续将波音先进的自然层流技术纳入 MAX AT 小翼的表面材料规范,相信除了这种创新方法的好处外,还能获得更高的效率。

美国航空公司波音 737 MAX AT 小翼。照片:布兰登法里斯/航空公司

地平线上更快的机翼生产


没有人知道未来一代的机翼会是什么样子。它可以以新的方式重塑或组装。它可以由复杂的金属材料或复合材料制成。它可以折叠和重塑。有一件事是肯定的:随着飞机生产率的提高,机翼的制造和组装需要更快、更容易、成本更低。

飞机和机翼制造商对这些新型机翼在空气动力学性能方面的进步是否超过了额外的重量和成本,还有待观察。

自莱特兄弟首次飞行以来,飞机机翼发生了重大变化。今天,原始设备制造商正在利用新技术和设计方法来提高空气动力学性能并减轻整个机翼结构的部件重量,从而显着提高航空公司的燃油效率。


特色图片:空中客车公司。文章来源: theengineer.co.uk, airandspace.si.edu, 空客, 波音.